Химическое равновесие

Временные закономерности протекания химических реакций, связь между скоростью реакции и условиями ее проведения. Реакция смеси эквимолярных количеств газообразных водорода и йода. Свободная энергия и равновесие. Константа химического равновесия.

Рубрика Химия
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 06.08.2013
Размер файла 71,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химическое равновесие

Химическая кинетика

Химическая кинетика - (от греч. kinetikos-движущий), раздел физической химии, изучающий хим. реакцию как процесс, протекающий во времени, механизм этого процесса, его зависимость от условий осуществления. Химическая кинетика устанавливает временные закономерности протекания хим. реакций, связь между скоростью реакции и условиями ее проведения, выявляет факторы, влияющие на скорость и направление хим. реакций. Изучить механизм сложного химического процесса - означает выяснить, из каких элементарных стадий он состоит и каким образом элементарные стадии связаны друг с другом, какие образуются промежуточные продукты и т.п. Теоретическая химическая кинетика занимается построением математических моделей сложных химических процессов, анализом этих моделей в сопоставлении с экспериментальными данными. Важной задачей кинетики химической является изучение элементарных реакций с участием активных частиц.

С исследованиями кинетики химических реакций связаны важнейшие направления современной химии и химической промышленности: разработка рациональных принципов управления химическими процессами; стимулирование полезных и торможение и подавление нежелательных химических реакций; создание новых и усовершенствование существующих процессов и аппаратов в химической технологии; изучение поведения химических продуктов, материалов и изделий из них в различных условиях применения и эксплуатации. В реальных условиях, например в крупных промышленных аппаратах, химический процесс осложняется в связи с передачей тепла, выделяемого или поглощаемого в реакции, транспортом веществ в зону реакции, их искусственным или естественным перемешиванием. Эти проблемы решает так называемая макрокинетика.

Вместе с тем многие уравнения, описывающие протекание во времени химических реакций, пригодны и для описания ряда физических процессов (распад радиоактивных ядер, деление ядерного горючего), а также для количественной характеристики развития некоторых биохимических, в том числе ферментативных, и других биологических процессов (нормальный и злокачественный рост тканей, развитие лучевого поражения, кинетические критерии оценки эффективности лечения). Химическая кинетика лежит в основе исследования сложных процессов горения газов и взрывчатых веществ, помогает изучению процессов в двигателе внутреннего сгорания. Таким образом, можно говорить об общей кинетике, частным случаем которой является кинетика химических реакций. Эти аналогии весьма удобны для практического использования, но всегда следует иметь в виду принципиальные различия в природе рассматриваемых явлений.

Ввиду сложности реальных химических систем и необходимости учета большого числа факторов и условий проведения процесса, при выяснении оптимальных режимов получения нужных продуктов в современной химической кинетике широко используются быстродействующие электронные вычислительные машины.

Отдельные работы в области К. х. были выполнены ещё в середине 19 в. В 1850 немецкий химик Л. Вильгельм изучил скорость инверсии тростникового сахара, в 1862-63 М. Бертло - скорость реакций этерификации. В работах Н.А. Меншуткина получили развитие (1882-1890) такие основные проблемы химии, как связь между строением веществ и их реакционной способностью, влияние среды на ход химического превращения. В 80-х гг. 19 в. Я. Вант-Гофф и С. Аррениус сформулировали основные законы, управляющие простыми химическими реакциями, и дали трактовку этих законов, исходя из молекулярно-кинетической теории. Дальнейшее развитие этих работ привело к созданию в 30-х гг. 20 в. Г. Эйрингом и М. Поляни на базе квантовой механики и статистической физики теории абсолютных скоростей реакций, открывающей перспективы расчёта скоростей простых (элементарных) реакций, исходя из свойств реагирующих частиц. Параллельно развивались работы по изучению кинетики сложных реакций. Среди первых в этой области были исследования А. Н Баха и Н.А. Шилова по реакциям окисления. Они включили в предмет химической кинетики представления о решающей роли промежуточных продуктов и промежуточных реакций в химическом превращении. Большую роль в разработке общих методов подхода к изучению сложных реакций сыграли работы М. Боденштейна. Выдающимся достижением теории сложных химических процессов явилась созданная в 30-х гг. Н.Н. Семеновым общая теория цепных реакций. Широкие исследования механизма сложных кинетических процессов, особенно цепных реакций, были выполнены С.Н. Хиншелвудом.

Скорость химических реакций

Химическая кинетика - наука о закономерностях протекания химических реакций. Кинетика рассматривает две важные и взаимосвязанные характеристики реакций: скорость и механизм, знание которых позволяет управлять реакциями, выбирать оптимальные условия для их протекания.

Скорость химической реакции определяется числом столкновений активных реагирующих частиц, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций), или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций), приводящих к образованию нового вещества. За скорость химической реакции принимают изменение молярной концентрации вещества за единицу времени в единице реакционного пространства. При этом безразлично, какие из реагирующих веществ выбирать для наблюдения за скоростью, так как они связаны между собой одним уравнением реакции. Например, молярная концентрация одного реагирующего вещества в момент времени ф1 равна С1, а в момент времени ф2 равна С2, тогда средняя скорость данной реакции

моль/л · с. (1)

Молярная концентрация показывает, сколько молей вещества содержится в 1 литре раствора или объема газовой смеси, время измеряется в секундах. Чтобы вычислить скорость реакции, нужно знать, как изменилась концентрация одного из реагирующих веществ за определенный промежуток времени. Чем меньше интервал времени, тем ближе экспериментально найденная скорость к истинной, то есть к скорости в данный момент. Скорость реакции всегда положительная величина, поэтому дробь берется со знаком минус в том случае, когда изучают изменение концентрации исходного вещества при реакции (С2<С1; DС <0).

Для определения скорости процесса можно выбрать реакцию, для которой появление определенного количества продукта фиксируется визуально, например, получение осадков. Таким образом, промежуток времени от момента слива растворов до появления осадка обратно пропорционален скорости реакции, поэтому 1/ Dt называется относительной скоростью реакции.

(2)

где Дф - промежуток времени от начала опыта до появления осадка. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, условий протекания реакции: концентрации, температуры, присутствия катализатора.

Она зависит также и от других причин:

от давления (в случае реакций с участием газов, так как с изменением давления изменяется концентрация);

от освещения;

от степени измельчения для реакции с участием твердых веществ.

Химическое равновесие

Все химические процессы делятся на два типа: обратимые и необратимые. Обратимые реакции в одних и тех же условиях идут в двух противоположных направлениях (-), а необратимые - в одном (>). К необратимым относятся реакции, сопровождающиеся выделением газа, образованием осадка, или малодиссоциирующих веществ (например, воды), устойчивых комплексов, а также очень большим выделением тепла. Большинство реакций являются обратимыми. Например,

H2(г) + I2(г) - 2HI(г). (3)

Реакцию, идущую справа налево (в данном случае - образование HI), принято считать прямой, а реакцию, идущую слева направо (в данном случае - разложение HI) - обратной.

Реакция смеси эквимолярных количеств (1:1) газообразных водорода и йода при нагревании в закрытом сосуде до 356 °С идет до тех пор, пока не образуется 80% того количества йодистого водорода, которое должно образоваться по уравнению (3). Остальные 20% остаются в виде H2 и I2 независимо от длительности нагревания. В первый момент времени скорость прямой реакции vпр. будет наибольшей, скорость обратной Vобр. - равна нулю. С течением времени концентрации H2 и I2 уменьшаются, концентрация HI увеличивается, происходит уменьшение скорости прямой реакции и увеличение скорости обратной реакции. Наконец, наступает момент, когда скорость прямой и обратной реакций становятся равными. С этого времени концентрации всех веществ перестают изменяться, скорость образования HI равна скорости его разложения. Наступает химическое равновесие.

Таким образом, с точки зрения химической кинетики, химическое равновесие - это такое состояние обратимой реакции, при котором скорости прямой и обратной реакции равны: Vпр = Vобр

Концентрации реагирующих веществ, которые устанавливаются при химическом равновесии, называются равновесными. Соотношение между равновесными концентрациями не зависит от того, какие вещества берут в качестве исходных (например, H2 и I2 или HI), то есть к состоянию равновесия можно подойти с обеих сторон.

Свободная энергия и равновесие

Предпринималось много попыток определения составляющих свободной энергии (энтальпии и энтропии) или ее самой из калориметрических данных, из данных по электродвижущей силе или статистическими методами с использованием спектроскопических данных (расчет статистических сумм). Изменение свободной энергии в ходе химической реакции является очень важной величиной, позволяющей определить, может ли протекать данная реакция в тех или иных условиях. Так, если при постоянных давлении и температуре изменение свободной энергии для данной химической реакции является большим по величине (і10 ккал / моль) и отрицательным по знаку, то реакция протекает самопроизвольно. Если изменение свободной энергии равно нулю, то имеет место равновесие, а если оно положительно, то для протекания реакции нужен подвод энергии извне. Зная изменение свободной энергии в ходе реакции для условий, когда реагенты и продукты находятся в стандартных состояниях, можно рассчитать константу равновесия реакции и получить информацию о том, при каких условиях получается максимальный выход.

Константа химического равновесия

Для определения констант равновесия используются физические и химические методы. В ходе измерений равновесие не должно нарушаться. Если это возможно, концентрации всех присутствующих в системе веществ следует определять исходя из одного или двух экспериментальных измерений. Следя за изменением давления или объема в ходе реакции, можно рассчитать состав системы в состоянии равновесия. Для определения концентрации одного или нескольких компонентов в равновесной смеси используют оптические методы (поглощение и преломление света), измеряют плотность и электропроводность. Можно использовать также химический анализ, если время анализа достаточно мало и равновесие не нарушается. Равновесную смесь «замораживают» (удалением катализатора, добавлением избытка одного из реагентов, быстрым охлаждением), чтобы предотвратить изменение ее состава в ходе анализа. Чтобы убедиться, что константа равновесия определена правильно, к равновесию нужно приближаться с обеих сторон или изменять концентрации реагентов в широком диапазоне. При этом должны получаться одинаковые значения констант равновесия. Иногда для определения констант равновесия используют методы измерения в потоке. Газообразные реагенты пропускают через реактор с катализатором при высокой температуре и быстро анализируют выходящие газы. Изменяя массовые скорости (расходы), определяют константу равновесия для таких условий, когда при дальнейшем уменьшении расхода состав выходящих газов не изменяется.

Выведем константу равновесия для обратимых химических реакций (в общем виде).

aA + bB = mM + nN.

Применим закон действия масс и запишем выражения скорости прямой и обратной реакций:

· скорость прямой реакции:

· скорость обратной реакции:

· в состоянии равновесия:

Переносим постоянные величины (константы скорости) в левую часть равенства, а переменные (концентрации) - в правую часть равенства, т.е. записываем данное равенство в виде пропорции:

Так как величины k1 и k2 в определенных условиях постоянны, то и отношение их тоже будет постоянной величиной для данной системы. Её обозначают К и называют константой равновесия.

В выражение константы входят равновесные концентрации веществ, взятые в степенях, равных коэффициентам перед веществом в уравнении реакции. Константа равновесия отражает глубину протекания процесса. Чем больше величина константы равновесия, тем выше концентрация продуктов реакции в момент равновесия, т.е. тем полнее протекает реакция.

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ, но не зависит от присутствия катализатора, так как он в равной степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции.

Влияние изменения концентрации веществ на смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье.

При изменении равновесных концентраций исходных веществ и продуктов реакции путем воздействия на систему происходит смещение химического равновесия. Если увеличиваются равновесные концентрации продуктов реакции, то говорят о смещении равновесия вправо. Если при внешнем воздействии увеличиваются концентрации исходных веществ, то говорят о смещении равновесия влево.

Характер смещения равновесия можно прогнозировать, применяя принцип французского ученого Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в том направлении, которое ослабляет внешнее воздействие.

Принцип Ле-Шателье следует из закона действующих масс. Если система находится при постоянной температуре, то константа равновесия при внешних воздействиях остается постоянной. Поэтому любое изменение равновесных концентраций веществ должно приводить к такому изменению равновесных концентраций других веществ, чтобы соблюдалось постоянство константы равновесия.

Рассмотрим процесс конверсии метана:

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2,

Константа равновесия этого процесса имеет вид:

Кс = [CO2] [H2]4/[CH4] [H2O]2.

1. Рассмотрим, как влияет изменение концентраций на смещение равновесия. При увеличении концентрации метана СН4 равновесие системы нарушается, идет прямая реакция. Концентрации продуктов реакции СО2 и Н2 увеличиваются, а концентрации Н2О уменьшается. Процесс будет протекать до тех пор, пока не установится новое равновесие. Новые равновесные концентрации компонентов будут такими, что константа равновесия не изменится. Если увеличить концентрацию СО2, то по принципу Ле-Шателье равновесие сместится влево.

2. Если в результате реакции изменяется число молей газообразных веществ, то изменяется общее давление в системе и происходит смещение равновесия. В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение общего давления вызывает смещение равновесия в сторону уменьшения числа молей газообразных веществ, т.е. в сторону уменьшения давления. Для рассматриваемой реакции увеличение давления должно смещать равновесие влево (слева- 3 моля, справа - 5 молей).

3. С увеличением температуры равновесие смещается в сторону эндотермических реакций, т.е. реакций протекающих с поглощением теплоты, понижение - в сторону экзотермических реакций.

Итак, принцип Ле-Шателье позволяет создавать такие условия протекания реакции, которые обеспечивают максимальный выход продуктов реакции.

Влияние температуры на константу равновесия

Согласно принципу Ле-Шателье, при повышении температуры происходит смещение равновесия в сторону эндотермической реакции, то есть реакции, идущей с поглощением тепла. При понижении температуры равновесие смешается в направлении экзотермической реакции, идущей с выделением тепла.

Пример 1. Для экзотермической обратимой реакции

2SO2(г) + O2(г) - 2SO3(г); ДH = -239 кДж/моль

повышение температуры вызовет смешение равновесия влево (в сторону разложения SO3 на SO2 и O2); понижение температуры сместит равновесие вправо (в сторону образования молекул SO3). Изменение температуры отразится на величине константы равновесия, т. к. в зависимости от природы веществ увеличение температуры на одинаковое число градусов вызовет неодинаковое увеличение скорости обеих реакций, вследствие чего концентрации веществ изменяются не пропорционально, и константа равновесия, соответственно, увеличивается или уменьшается.

Влияние изменения давления на смещение химического равновесия, если в реакции участвуют газообразные вещества.

В соответствии с принципом Ле-Шателье, увеличение давления в системе смещает равновесие в сторону той реакции, которая приводит к уменьшению давления в системе, т.е. к образованию меньшего числа молекул газа. Наоборот, при уменьшении давления равновесие смещается в сторону реакции, сопровождающейся увеличением общего числа молекул газа, что влечет за собой увеличение давления в системе. Константа равновесия от давления не зависит, т. к. увеличение давления газов равноценно увеличению во столько же раз концентрации этих веществ.

Пример 1. Рассмотрим гомогенную реакцию

Н2(г) + Cl2(г) 2HCl(г),

в которой число молекул газообразных веществ, вступивших в реакцию, равно числу образовавшихся молекул в результате реакции. При изменении давления в равной мере изменяется скорость прямой и обратной реакции, и равновесие не смещается.

Пример 2. Для реакции N2(г) + 3H2(г)- 2NH3(г) увеличение общего давления приведет к смещению равновесия слева направо, в сторону образования аммиака, а при уменьшении давления - справа налево, то есть в сторону разложения аммиака на азот и водород. Это же можно доказать вычислением скоростей прямой и обратной реакций при измененных внешних условиях. Пусть давление в системе увеличится в 2 раза.

Решение. Запишем выражения скоростей прямой и обратной реакции:

1. До изменения давления

1. После увеличения давления в 2 раза

Из полученных результатов видно, что при увеличении давления в два раза скорость прямой реакции увеличилась в 16 раз, а скорость обратной - в 4 раза, то есть равновесие сместилось в сторону прямой реакции, сопровождающейся образованием меньшего числа молекул газов.

Фазовые равновесия

Одно и то же вещество может при изменении температуры и давления переходить в различные агрегатные состояния. Эти переходы, осуществляемые без изменения химического состава, называются фазовыми переходами. Если рассматривается гетерогенная система, в которой нет химического воздействия, а имеются лишь фазовые переходы, то при постоянстве температуры и давления существует так называемое фазовое равновесие. Примерами фазового равновесия могут быть процессы плавления, кристаллизации, испарения, конденсации воды. Это равновесие характеризуется некоторым числом фаз, компонентов и числом степеней термодинамической свободы системы или числом степеней свободы. Фаза - это однородная часть системы одинаковая по составу и свойствам, имеющая поверхность раздела, и которая может быть выделена из системы чисто механическим путем. Так, система лед+вода имеет две фазы. Компонентом называется химически однородная составная часть системы, которая может быть выделена из системы и может существовать вне ее. Так, в растворе хлорида натрия компонентами являются вода и хлорид натрия, но ионы натрия и хлора не могут считаться компонентами. Число степеней свободы определяется как число параметров системы (температура, давление), которые могут быть произвольно изменены в некоторых пределах без изменения числа и природы фаз в системе. У системы, состоящей лишь из газа, можно менять два параметра, третий система устанавливает произвольно сама.

Список литературы

химический реакция эквимолярный равновесие

1. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2007.

2. Зимон А.Д. Физическая химия. М.: Агар; 2008.

3. Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия. М.: Академия, 2007.

4. Кругляков П.М., Лещенко Н.Ф. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2007.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Рассчет сродства соединений железа к кислороду воздуха при определееной константе равновесия реакции. Определение колличества разложившегося вещества при нагревании. Вычисление константы равновесия реакции CO+0,5O2=CO2 по стандартной энергии Гиббса.

    тест [115,4 K], добавлен 01.03.2008

  • Зависимость химической реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре. Скорость химических реакций в гетерогенных системах. Влияние концентрации исходных веществ и продуктов реакции на химическое равновесие в гомогенной системе.

    контрольная работа [43,3 K], добавлен 04.04.2009

  • Гомогенные и гетерогенные реакции: мрамора с соляной кислотой. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс. Правило Вант-Гоффа. Катализатор нейтрализации выхлопных газов автомобиля. Три признака химического равновесия.

    презентация [304,0 K], добавлен 27.04.2013

  • Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции. Влияние внешних условий на химическое равновесие. Влияние давления, концентрации и температуры на положение равновесия. Типы химических связей.

    реферат [127,3 K], добавлен 13.01.2011

  • Скорость и стадии гетерогенной реакции. Принцип действия ферментов. Химическое равновесие, обратимость химических реакций. Растворы и их природа. Электролитическая диссоциация. Возникновение электродного потенциала. Гальванические элементы и электролиз.

    методичка [1,8 M], добавлен 26.12.2012

  • Теория активированного комплекса. Эмпирическая энергия активации по Аррениусу. Первая стадия механизма активации. Константа равновесия. Общий подход при условии стандартизации концентраций. Реакции в растворах. Реакция Меншуткина (медленная реакция).

    реферат [118,4 K], добавлен 30.01.2009

  • Характеристика химического равновесия. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры, величины поверхности реагирующих веществ. Влияние концентрации реагирующих веществ и температуры на состояние равновесия.

    лабораторная работа [282,5 K], добавлен 08.10.2013

  • Предмет термохимии, изучение тепловых эффектов химических реакций. Типы процессов химической кинетики и катализа. Энтальпия (тепловой эффект) реакции. Скорость реакции, закон действующих масс. Константа химического равновесия, влияние катализатора.

    презентация [2,2 M], добавлен 19.10.2014

  • Состояние изотермической системы с неизменным объёмом. Микроскопические движения частиц. Понижение свободной энергии системы в любом естественно протекающем процессе. Цель статистического метода. Главный молекулярный механизм - броуновское движение.

    реферат [51,2 K], добавлен 31.01.2009

  • Определение содержания химической кинетики и понятие скорости реакции. Доказательство закона действующих масс и анализ факторов, влияющих на скорость химических реакций. Измерение общей энергии активации гомогенных и гетерогенных реакций, их обратимость.

    презентация [100,2 K], добавлен 11.08.2013

  • Понятия химической кинетики. Элементарный акт химического процесса. Законы, постулаты и принципы. Закон сохранения энергии. Принцип микроскопической обратимости, детального равновесия, независимости химических реакций. Закон (уравнение) Аррениуса.

    реферат [74,3 K], добавлен 27.01.2009

  • Характеристика химического равновесия в растворах и гомогенных системах. Анализ зависимости константы равновесия от температуры и природы реагирующих веществ. Описания процесса синтеза аммиака. Фазовая диаграмма воды. Исследование принципа Ле Шателье.

    презентация [4,2 M], добавлен 23.11.2014

  • Рассмотрение превращения энергии (выделение, поглощение), тепловых эффектов, скорости протекания химических гомогенных и гетерогенных реакций. Определение зависимости скорости взаимодействия веществ (молекул, ионов) от их концентрации и температуры.

    реферат [26,7 K], добавлен 27.02.2010

  • Химическая кинетика и ее значение в управлении химическими процессами. Классификация реакций по средам протекания, их отличительные черты. Скорость химических реакций, зависимость ее от температуры среды и наличия света. Принцип действия катализаторов.

    реферат [152,7 K], добавлен 29.05.2009

  • Основные понятия и законы химической термодинамики. Основы термохимических расчётов. Закон Гесса, следствия из него и значение. Расчёты изменения термодинамических функций химических реакций. Сущность химического равновесия, его константа и смещение.

    реферат [35,3 K], добавлен 14.11.2009

  • Определение константы равновесия реакции. Вычисление энергии активации реакции. Осмотическое давление раствора. Схема гальванического элемента. Вычисление молярной концентрации эквивалента вещества. Определение энергии активации химической реакции.

    контрольная работа [21,8 K], добавлен 25.02.2014

  • Определение свойств химических элементов и их электронных формул по положению в периодической системе. Ионно-молекулярные, окислительно-восстановительные реакции: скорость, химическое равновесие. Способы выражения концентрации и свойства растворов.

    контрольная работа [58,6 K], добавлен 30.07.2012

  • Химическая реакция как превращение вещества, сопровождающееся изменением его состава и (или) строения. Признаки химических реакций и условия их протекания. Классификация химических реакций по различным признакам и формы их записи в виде уравнений.

    реферат [68,7 K], добавлен 25.07.2010

  • Вещество или смесь веществ в определённом ограниченном объёме называют химической системой, а отдельные образующие данную систему вещества носят название её компонентов. Закон действующих масс. Действительная молекулярность реакции. Энергия активации.

    доклад [22,4 K], добавлен 17.07.2008

  • Термодинамико-топологический анализ структур диаграмм фазового равновесия. Закономерности векторного поля нод и скалярного поля равновесных температур. Уравнение их взаимосвязи. Нелокальные закономерности диаграмм фазового равновесия жидкость – пар.

    дипломная работа [296,8 K], добавлен 04.01.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.